2021, Vol.41
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Soon Do Hur2,
效存德3,1,
杨佼1,
林佳梅4,
Yeongcheol Han2,
张通3,
李传金1,
任贾文1,
王士猛1,
Seong Joon Jun2,
Sang Bum Hong2,
Khanghyun Lee2
2 Korea Polar Research Institute, Incheon 21990, Korea;
3 北京师范大学, 地表过程与资源生态国家重点实验室, 北京 100875;
4 Physics of Ice, Climate and Earth, Niels Bohr Institute, University of Copenhagen, Copenhagen N 2200, Denmark)
火山事件爆发后向平流层注入大量的化学和微物理活性气体以及固体气溶胶，然后这些物质随着大气环流在区域与全球尺度传输，可以在几周内将二氧化硫转化为硫酸盐气溶胶，从而形成火山云[1~2]。由于火山气溶胶的存在导致太阳辐射无法传输至地面，从而致使区域乃至全球气候出现不同程度的降温。虽然火山事件爆发后会使得环境质量变差，影响交通，甚至威胁人类生命财产安全，但是火山事件发生后排放的火山灰沉降在海洋表层会带来大量的铁和磷等营养物质，从而提高了海洋生产力[3~4]。例如，已有研究表明，1963年的Agung(1963)火山与1991年的Pinatubo(1991)火山排放了大量的生物活性元素铁，促进了海洋生产力显著的加强，最终对大气中二氧化碳(CO2)浓度有降低作用[5]。此外，火山事件排放的硫酸气溶胶通过大气环流被传输至极地地区，然后通过干、湿沉降的方式进入雪冰中保存，在冰芯记录中硫酸盐(SO42-)峰值被认为是辨别火山事件最为直观的指标[6]。因此，在冰芯定年中，基于这些火山灰和硫酸盐形成的参考层可以对冰芯准确定年。
格陵兰冰盖钻取的冰芯因全年气温较低，积累率相比南极冰盖更高，对于重建过去气候与环境变化提供了高分辨率数据。因此，该地区获取的冰芯数据为理解当前与将来气候和环境的变化提供科学依据[7~10]。20世纪90年代初期，欧洲科学家在格陵兰冰盖钻取了GRIP冰芯(冰芯深度3027m)，同一时期，在距离GRIP冰芯位置20km处，美国科学家钻取了GISP2冰芯(冰芯深度3053m)。这两支冰芯对于理解末次冰期-间冰期气候变化事件提供了重要的科学支撑[8]。随后，欧洲科学家钻取了NGRIP冰芯，对于揭示全新世与末次冰期快速气候变化提供了高分辨率数据[8~10]。2007~2011年，由丹麦倡导，共有14个国家参与，即：丹麦、美国、法国、瑞士、荷兰、日本、英国、德国、瑞士、比利时、加拿大、中国、冰岛和韩国。共同在格陵兰西北部钻取NEEM深冰芯(2540m)，该冰芯主要提供了末次间冰期最新的气候与冰厚特征，对于更好地揭示Eemian时期格陵兰冰盖对全球海平面上升贡献大小提供了最新证据[11~12]。
作为NEEM深冰芯的一部分，2009年在该深冰芯附近钻取了一支90m浅冰芯[13](命名为NEEM2009S1：77°27′N，51°04′W；2450m a.s.l.；见图 1)。本研究对NEEM2009S1冰芯19m至90m进行了氧同位素与离子测试，定年结果为：1711~1969年，重建了过去259年火山事件，并探讨了其记录的气候效应与火山事件爆发后可能的传输路径。
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图 1 格陵兰NEEM冰芯与其他深冰芯位置分布图(引自：http://www.iceandclimate.nbi.ku.dk) Fig. 1 The main deep drilling sites and the NEEM site, cited from http://www.iceandclimate.nbi.ku.dk |
依据前期研究，得出NEEM2009S1附近地区年平均温度为-29℃，年积累率为0.22m/年(冰当量)[12]。冰芯钻取后于2010年冷藏运输至韩国极地研究所(KOPRI)。为了利用连续流动装置融化样品，钻取的冰芯样品首先被切割为长(55cm)×宽(3cm)×高(3cm)。冰芯从19m至90m以2cm分辨率切割，共计获得约3550个样品。然后每个样品通过连续流动装置融化。在韩国极地研究所用L2140-i型波长扫描-光腔衰荡光谱仪(Picarro Inc.，USA)测试了以2cm分辨率的氧和氢同位素(δ18O和δD)，精度为0.05 ‰。以10~12cm分辨率切割，总计对586个样品进行了阴、阳离子(Na+、K+、Ca2+，、Mg2+、NH4+、Cl-，NO3-和SO42-)测试，阴、阳离子的测试在中国科学院西北生态环境资源研究院冰冻圈科学国家重点实验室完成。根据该地区的积累率，10~12cm分辨率样品大概代表了数月积累量。因此，本研究获得的数据可以讨论季节尺度信息。
1.2 实验方法由于连续流动装置对于冰芯密度有要求，如果冰密度太小，会导致融化的液体样品进入未融化冰层，从而造成污染。因此，本研究对于顶部19m粒雪冰芯未作处理。将连续流动装置融化的样品(在30ml低密度聚乙烯(LDPE)样品瓶保存)首先在室温环境(20℃)融化，然后转入10ml聚丙烯瓶上机测试。阴、阳离子(Na+、K+、Ca2+、Mg2+、NH4+、Cl-，NO3-和SO42-)使用离子色谱(Dionex 3000)测试。为了确保10ml聚丙烯瓶空白低于检测线，样品瓶事先用超纯水((Milli-Q，>18.2MΩ)清洗3次，然后每次超声10min。最后，瓶子在50℃烘箱烘干(约2~3 h)。阳离子分析柱为CS-12A，阴离子分析柱为AS-11HC；阳离子保护柱为CG-12A和阴离子保护柱为AG-11HC。样品进样量为1ml。阳离子采用等容分析方法，阴离子采用梯度分析方法[14]。样品分析之前，每次分析2个空白，检测样品瓶是否被污染或没清洗洁净。
2 结果与讨论 2.1 冰芯定年图 2列出了NEEM2009S1冰芯δ18O值(2cm分辨率)以及SO42-和nss(非海盐)SO42-(SO42-是10cm分辨率)浓度。由于该冰芯记录了显著的δ18O季节性变化特征，可以用来辨别清晰的年层信息[9]。钠离子(Na+)是海水主要成分，因此，Na+被认为是海盐的指示器[15]。对于SO42-来源，除了海洋飞沫，还存在其他非海盐源[15]。例如，火山事件爆发后，硫酸气溶胶与火山灰通过大气环流沉降进入雪冰，这部分SO42-是直接来自火山事件，被认为是非海盐SO42-[15]。因此，将其划分为海盐(ssSO42-)与非海盐SO42-来源。为了剔除ssSO42-来源的影响，计算了nssSO42-浓度。因此，nssSO42-浓度计算时，以Na+作为参考物质，假定所有的Na+来自海盐，有如下公式：[nss X]=[X]-a[Na]，X是总组分浓度，a是海水中[X]/[Na]系数。由于火山灰在雪冰中的沉降时间与实际火山事件爆发时间存在滞后现象(约1年)，在冰芯实际定年中，最常用的方法是将SO42-背景值剔除得到nssSO42-数据之后，根据nssSO42-峰值和已知的火山事件，结合δ18O年际变化特征和该冰芯积累率，确定火山事件在冰芯中的年代[16~17]。分析结果表明：NEEM2009S1冰芯记录的nssSO42-浓度变化特征与格陵兰早期冰芯具有非常好的一致性[16]，nssSO42-浓度从20世纪开始有显著增加的趋势(图 2)，表明人类活动排放的硫酸盐在该时期显著增加，这种现象主要的原因可能归于欧美国家该时期工业活动排放了大量的污染物所致。
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图 2 NEEM2009S1冰芯记录的1711~1969年SO42-(ng/ml)和nssSO42-(ng/ml)浓度以及δ18O值(‰) 垂直点黑线强调了强火山事件对应高SO42-浓度 Fig. 2 Volcanic eruptions recorded by SO42-, non-sea salt(nss)SO42-concentrations and δ18O in the NEEM2009S1 shallow core from 1711~1969. Vertical dotted lines emphasize the large eruptions responding to high SO42-concentrations |
NEEM2009S1冰芯观测到的δ18O-温度关系反映了19世纪以来显著的变暖趋势，这种现象在其他NEEM浅冰芯记录中也得到了证实[18]。另几支NEEM冰芯(命名为NEEM07S3、NEEM08S2、NEEM08S3和NEEM10S2)δ18O年际变化特征结果表明[19]：北大西洋多年代际振荡对NEEM冰芯δ18O季节变化存在显著的影响，证明水汽来源主要是受其控制。如图 2所示，5次强火山事件主要发生在19世纪早期，火山事件发生后观测到了快速的降温(δ18O显著降低)。在NEEM2009S1冰芯准确的定年可以参考清晰的nssSO42-峰值，如Laki(1783年，64°25′N，17°19′W)、Tambora(1815年，8°15′S，118°00′E)、Santa Maria(1902年，14.8°N，91.6°W)、Katmai(1912年，58°18′N，155°10′W) 和Agung(1963年，8°20′S，115°31′E)，这些火山事件爆发的火山信号都被清晰地记录在该冰芯中。其中3次强火山事件，Laki(1783年)火山事件对应NEEM2009S1冰芯72.6m，Tambora(1815年)火山对应于该冰芯64m，Katmai(1912年)火山对应于该冰芯37.6m(图 2)。这些强火山事件在冰芯中对应的nssSO42-信号与早期在NEEM其他冰芯记录存在较好的一致性[20~21]。因此，基于δ18O年循环特征与已知的火山事件确定了该冰芯年龄为1711~1969年。
2.2 NEEM2009S1冰芯重建的过去259年火山事件图 3列出了NEEM2009S1的nssSO42-序列与NEEM2011S1冰芯的nssS(非海盐硫元素)序列[16]。首先，将NEEM2009S1重建的nssSO42-序列31年滑动中值作为此站点的硫酸盐背景值(普遍认为来自于海盐气溶胶)；其次，将火山事件可检测限确定为硫酸盐背景值加上3倍偏差；最后，将NEEM2009S1冰芯nssSO42-浓度超过该检测限的值定义为火山事件，该方法类似于先前所用的方法[22]。详细的火山事件在表 1列出，为了更好的理解这些火山事件在格陵兰冰芯中的记录情况，本研究将NEEM2009S1冰芯与NEEM2011S1冰芯进行了对比研究(图 4)，相比NEEM2011S1冰芯记录，由于NEEM2009S1冰芯分辨率较低，为了对两支冰芯更好的对比研究，本研究计算了NEEM2009S1冰芯火山事件年分辨率SO42-沉降通量(表 1)。结果表明：大多数火山事件沉降通量在NEEM2009S1冰芯与NEEM2011S1冰芯之间有很好的对应。有17次火山事件均被两支冰芯均记录，而NEEM2009S1冰芯较好的记录了25次火山事件，包括18次火山事件其通量>10kg/km2。有24次火山事件在NEEM2011S1检测到，其中有13次火山事件其通量>10kg/km2[16]。
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图 3
NEEM2009S1(nssSO42-)与NEEM2011S1[16](nssS，非海盐硫元素)两支冰芯1711~1969年火山事件对比
蓝色实线表示两支冰芯中确定的火山事件检测限，红色实线代表硫酸盐背景值(31年滑动中值)， 黑色箭头虚线代表两支冰芯共同记录的17次火山事件NEEM2009S1使用仪器为离子色谱仪测试的是可溶态硫酸根离子(SO42-)；而NEEM2011S1使用电感耦合等离子质谱仪测试的是可溶态硫(S)元素 Fig. 3 Comparison of the volcanic eruptions from 1711~1969 between the NEEM2009S1 and NEEM2011S1[16] ice cores.Blue solid lines represent the volcano detection threshold for the selection of volcanic events(31-year running median)in the two ice cores; red solid lines represent a clearer signal in NEEM2009S1 via reduced running median nssS after removal of detected volcanoes in the dataset; black arrow dashed lines represent 17 volcanic events in the two ice cores. It is noted that the concentration of SO42- was measured with ion chromatography(IC)in this study, and the concentration S in NEEM2011S1 was determined by inductively coupled plasma mass spectrometry(ICP-MS) |
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图 4 NEEM2009S1与NEEM2011S1两支冰芯1711~1969年期间SO42-通量和火山事件(VEI≥5)对比分析 Fig. 4 Comparison of the volcanic sulfate flux record and volcanic eruptions(VEI≥5)derived from the two NEEM ice cores during 1711~1969 |
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表 1 NEEM2009S1与NEEM2011S1两支冰芯记录的SO42-沉降通量(kg/km2)(黑体加粗强调该火山事件在NEEM两支冰芯清晰记录) Table 1 Volcanic sulfate deposition(SO42-[kg/km2]±1)for NEEM2009S1 and NEEM2011S1 ice core records (the boldface type means the volcanic events clearly recorded in two NEEM ice cores) |
火山爆发指数(VEI)是用来指示火山爆发强度和火山灰体积大小等信息，由Newhall和Self[23]修订完成。如果VEI≥4，火山爆发后将大量火山信息注射至平流层，经大气传输会成为全球信号[24~25]。尽管VEI不一定与排放的硫酸盐的输出多少直接有关，但本研究结果显示，VEI ≥4的火山事件均被很好地记录在该冰芯中。相比其他低纬度强火山事件，Laki火山爆发位置位于冰岛，是距离NEEM2009S1冰芯获取位置较近的火山；且Laki火山(1783年)爆发指数(VEI)为6。因此，NEEM2009S1冰芯记录了Laki火山最大nssSO42-峰。第二个峰值nssSO42-是Tambora(地点印度尼西亚，爆发时间1815年4月10~11日)火山事件，尽管该火山发生于南半球(8°18′S，118°0′E)，但是由于该火山事件持续时间较长，被认为是末次冰期后的“无夏季年”事件[26]。因此，该火山事件信号被很好地记录在该冰芯。然而，一些比较小的火山事件，譬如，Bezimianny(Kamchatka，俄罗斯，1956年)、Raikoke(Kuril Islands，俄罗斯，1924年)、Ksudach(Kamchatka，俄罗斯，1907年)、Grímsvøtn(冰岛，1873年)、Makian(印度尼西亚，1861~1862年)、Usu(日本，1853年)和Katla(冰岛，1755年)，这些火山事件没能在NEEM2009S1冰芯检测到。这可能是因为NEEM2011S1冰芯高分辨率更高，而在NEEM2009S1冰芯一些较小的信号检测不到[16]。但是另外6个较小的火山事件没能在NEEM2011S1冰芯检测，譬如，Volcán Bárcena(Mexico，1952年)，Mauna Loa(Hawaii，1942年)，Lassen Peak(California，1915年)，Laki(Iceland，1903年)，Santa Maria(Guatemala，1902年)和Bogosl(Alaska，1796年)。需要说明的是，本研究中使用的是离子色谱(IC)测试了SO42-离子浓度；对于NEEM2011S1冰芯[16]，可溶性硫元素(S)浓度是通过电感耦合等离子质谱测试。因此，两种测试方法本身会造成数据的差异，同时由于样品分辨率的不同，譬如，两冰芯切取分样过程中，存在着不同深度的冰样丢失。因此，这些因素都可以导致火山信号的丢失。此外，1938年或1939年存在一次无法考证的火山事件，该事件需要进一步研究。在图 4中，可以得出，更加频繁的周期性火山事件爆发于1870年之后，较多的火山事件发生在1720~1740年、1780~1800年、1809~1830年、1880~1890年、1902~1930年和1945~1955年。该结果与”美国史密森学会“全球火山计划”(http://www.volcano.si.edu/index.cfm)列出的已知火山事件较为一致。
2.3 NEEM冰芯记录的冰岛火山事件冰岛地区火山频发，由于其独特的地质和气候特征，几乎拥有地球上已知的所有类型的火山和喷发方式[27]。东部火山带是冰岛火山带最为活跃的火山区域，包含了4个活跃的火山系统：Grí 
msvōtn(Laki火山属于该类型)，1350km2；Hekla，720km2；Katla，1300km2；Bárdarbunga-Veidivōtn，2500km2，这些火山事件占据了已知的冰岛所有火山的80 % [27]。NEEM2009S1冰芯位于冰岛西北方向，可以较好地捕获过去259年冰岛地区发生的火山事件，因此，本研究对该冰芯记录的冰岛地区爆发的火山事件做了详细介绍。其中表 2列出了NEEM2009S1冰芯记录的已发生在冰岛的火山事件(VEI≥3)，这些火山也已被全球火山计划数据库(http://www.volcano.si.edu/index.cfm)收录(注意：一些火山事件nssSO42-浓度低于2倍的平均背景值)(图 3)。为了更好地获取到冰岛地区火山强度，表 2列出了冰岛地区爆发的火山事件相关信息。
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表 2 NEEM2009S1冰芯记录火山信息与火山爆发指数(VEI) Table 2 Volcanic sulfate deposition recorded in the NEEM2009S1 ice core |
Laki火山是冰岛历史上排放熔岩量最大的火山事件，作为标志年层广泛用于格陵兰冰芯定年[28]。Laki火山事件向大气中释放了约120×106t二氧化硫，排放的火山灰形成的气溶胶云笼罩在整个北半球高纬度地区，造成了严重的环境问题和气候制冷效应[29]。此外，这次火山事件还导致了1783年欧洲异常寒冷的夏季以及特别寒冷的冬季，持续的冷事件一直持续到1984年[30]。SO42-浓度在NEEM2009S1冰芯是1228 ng/ml，与NEEM2010S3测试结果1159ng/ml一致[20]。1875年冰岛Askja火山是一次典型的少火山灰事件，由于此次火山事件排放的火山灰以硅质为主[31]，因此，NEEM2009S1冰芯并未检测到此次火山信号，nssSO42-浓度在该冰芯记录中也相对较低。
Hekla火山系统是冰岛第二大最活跃的火山系统，在1711~1969年期间，爆发了3次火山事件，分别发生在1766~1768年、1845年和1947~1948年。如图 3所示，这些火山信号都较好的记录在NEEM2009S1冰芯。Katla火山是冰岛第三大的活跃火山系统，从1711~1969年发生了7次火山事件，分别发生于1721年、1755年、1823年、1860年、1918年和1955年，持续时间分别为>100d、约120d、28d、20d和24d[27]。除了1955年的火山事件没在NEEM2009S1检测到，其余5次火山事件都在NEEM2009S1与NEEM2011S1[16]两支冰芯中有清楚的辨别(表 3)。然而，由于这些火山气体和火山灰的体积(体积<0.1km3为小，体积为0.1~0.5km3为中等，体积>0.5km3较大)大小不同，对于1755年和1918年火山事件来说，其火山气体和火山灰的体积较大，对于1721年火山事件来说是中等，而对于1823年和1860年的事件来说其规模较小[32]。Bárdarbunga-Veidivōtn火山系统是冰岛第四大火山系统，但是这些火山被冰所覆盖。因此，这些火山事件(1716年、1717年和1726年)在NEEM2009S1与MEEM2011S两支冰芯中信号是较弱的。虽然1963~1967年的Surtsey火山释放的火山灰量较小，VEI也仅仅为3(http://www.volcano.si.edu/index.cfm)，但是由于该火山事件持续了好几年时间。因此，在NEEM2009S1冰芯中存在SO42-浓度的持续增加(图 2)。
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表 3 NEEM2009S1冰芯记录的冰岛VEI ≥3火山事件(“-”表示没有数据) Table 3 Volcanic events in Iceland identified in the NEEM ice cores(VEI ≥ 3)("-" represents no data) |
Eyjafjallajökull火山和Katla火山位于冰岛东部火山带和南部地震带交汇裂谷火山群。Eyjafjallajökull是一座雪冰覆盖的火山，海拔1600m。峰顶有厚达200m的冰川分布[33]。尽管Eyjafjallajökull火山VEI是2，但是从1821~1823年期间持续了14个月[34]，因此，在NEEM2009S1冰芯显著记录。此外，由于1823年Katla火山与1822年发生的印度尼西亚Galunggung火山(VEI为5)(http://www.volcano.si.edu/index.cfm)在NEEM冰芯存在重叠信号，很难区分两次火山事件排放的SO42-强度大小。但是与1883年发生在印度尼西亚的Krakatoa火山(VEI为6)相比(http://www.volcano.si.edu/index.cfm)，1822年nssSO42-浓度在NEEM2009S1冰芯1822年的浓度高于1883年。因此，nssSO42-在NEEM2009S1冰芯最可能是记录了Katla火山(1823年，VEI为3)(http://www.volcano.si.edu/index.cfm)。
2.4 NEEM2009S1冰芯揭示的极端火山事件与气候效应本研究NEEM2009S1冰芯的δ18O序列结果表明(图 2)：δ18O序列在1711~1969年变化相对稳定，然后从19世纪开始存在一个下降趋势。由于Tambora火山(1815年)，从NEEM2009S1冰芯δ18O观测到最小值是-38.7 ‰，表明此次火山事件是一次全球尺度降温。十年尺度最冷时间发生于1810s与1830s，然后有一个相对升温现象直到1870s。而在1900年之后存在一个波动性的上升现象。NEEM2009S1与NEEM2011S1[16]这两支冰芯nssSO42-(nssS)浓度高值可能表明1809年发生了一次火山事件，但是这次事件没有被历史记录所记载。因此，需要将来进一步研究。1809~1815年发生了两次强火山事件，这解释了为何1810s为最冷的时期。在1920s期间，NEEM2009S1的δ18O值表现出了一个相对极大值，其中最高的年平均δ18O值是-29.8 ‰，发生于1928。这一结果与早期格陵兰冰芯记录一致[18, 21, 35]。
图 4列出了在NEEM2009S1和NEEM2011S1两支冰芯检测到的VEI ≥ 4火山事件。为了验证火山强迫对温度的响应，表 2列出了10次强火山事件(VEI ≥ 5)，它们依次是Agung(1963年)、Katmai(1912年)、Santa Maria(1902年)、Krakatoa(1883年)、Shiveluch(1854年)、Cosiguina(1835年)、Galunggung(1822年)、Tambora(1815年)、Laki(1783年)和Tarumai(1739年)。本研究采用时序叠加分析方法(Superposed Epoch Analysis)方法[36]，从整个序列中提取强火山事件，运用年代迭代的方法，取火山事件前5年和后5年，组成矩阵，计算每一列的平均值，评估基于树轮指数(美国大盆地树轮数据)重建的温度变化对火山事件的响应[37]。结果表明在火山爆发后的1~3年内(即延后1~3年)，由于火山致冷效应，树轮指数经标准化后均表现出显著下降(图 5)，这表明强火山事件制冷效应显著存在。相比中纬度基于中国东北湖泊沉积物重建的温度变化与火山事件研究[38]，冰芯记录可以更好地指示年际变化，而中纬度沉积物指示了十年际温度和火山事件之间的关系。
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图 5 10次强火山事件引起的火山强迫与树轮指数的响应分析 阴影部分表示合成均值95 % 置信区间；树轮指数来源于经过标准化处理的美国大盆地树轮数据[37] Fig. 5 Superimposed epoch analysis of the mean response in tree ring index to the 10 largest volcanic eruptions.The shading indicates the 95 % confidence interval for the composite mean. Tree ring index is from normalized tree ring data in Great Basin, USA[37] |
为了探讨火山事件强度(nssSO42-通量)与气候效应的关系，本研究分析了1711~1969年期间的火山喷发强度与对应的δ18O和δD同位素之间的关系，并与树轮和北极欧洲温度记录[39]进行了对比分析。为了便于比较相同尺度的数据，将不同观测数据集(δ18O、δD、树轮、北极欧洲的温度)标准化进行对比。从图 6a和6b可以看出，大体上火山的强度越大，引起δ18O和δD波动范围越大，与树轮和北极欧洲温度的变化相一致。说明火山事件造成冷气候事件也同时影响δ18O和δD的来源和传输过程。但是，对于一些强度较小的火山事件，δ18O和δD并没有明显降低现象。NEEM2009S1发现4个明显影响δ18O和δD波动的火山事件，两次火山事件发生在热带印度尼西亚地区(Tambora和Krakatoa)，另外两次发生于冰岛北部(Laki和Hekla)。
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图 6 (a) 1711~1969年NEEM2009S1冰芯的火山事件记录(nssSO42-浓度(黑色线)超过检测线(蓝线)以上被认为是火山事件)；(b)NEEM2009S1冰芯标准化的δ18O和δD记录与标准化的树轮记录和北极欧洲地区温度记录[39](原始数据均进行了标准化处理)；(c)NEEM2009S1的标准化的δD-δ18O斜率 黑色虚线指示了4次强火山事件 Fig. 6 (a)The volcanic eruptions from 1711~1969 in the NEEM2009S1 ice core(volcanic years are identified as those with nssSO42- concentrations(black line)that exceed the background average value(blue line)); (b)Normal of δ18O and δD in NEEM2009S1, normal of tree ring and Arctic Europe temperature[39]; (c)Normal of slope δD-δ18O in NEEM2009S1.Black arrow dashed lines represent 4 volcanic events |
δD-δ18O斜率也可以反映水汽过饱和和分馏过程，Steen-Larsen等[21]计算了水蒸气、水和雪中δD-δ18O斜率，结果表明斜率依次存在减小的现象。图 6c中δD-δ18O斜率值自19世纪80年代初以来存在一定的下降趋势，表明水汽的来源逐渐发生了变化。但是对于强火山事件而言，δD-δ18O斜率值大体位于上峰值附近(图 6c)，因此，通过δD-δ18O也可以直观反应了温度的变化，也同时反应了强火山事件造成的全球变冷可能影响了格陵兰岛冰盖的水分来源或者改变了水汽的传输路径。
Laki火山(64°25′N，17°19′W) 位于冰岛南部，于1783年6月8日爆发，VEI为6[30]。在NEEM2009S1冰芯中nssSO42-浓度在1784年达到了最大值(1225.8 ng/ml)，SO42-通量也达到了最大值(100.7kg/km2 ·a)。Shiveluch火山(56°38′N，161°19′E) 位于堪察加半岛东北部的堪察加中部洼地，1854年这里曾发生过一次较强的火山事件[40]。1964年11月12日，Shiveluch火山也发生了一次强火山事件，引发了火山泥流和雪崩，喷发的体积约为2km3[41~42]。两次火山事件均被清晰的记录在NEEM2009S1冰芯(图 4)。1912年6月6日至8日在阿拉斯加发生了Katmai火山(58°18′N，155°10′W；VEI为6)，此次火山事件是20世纪规模最大的火山事件，产生了约15km3岩浆[43]。此次火山事件也被清楚记录在NEEM2009S1冰芯，其中SO42-通量是13.5kg/km2 ·a。
Tambora火山(8°15′S，118°00′E；喷发1815年4月)位于印度尼西亚一个岛屿，该次火山事件是自1259年以来最强大的全球性事件，被称为是“无夏之年”的罪魁祸首[44]。此次火山事件排放了超过100km3火山灰，产生了52~175 Tg H2SO4[45]。尽管印度尼西亚与格陵兰冰盖距离非常遥远，但在NEEM2009S1冰芯中观测到了第二nssSO42-峰值，其中SO42-通量为24.1kg/km2 ·a。对Krakatoa火山(6°06′S，105°24′E) 附近海底火山碎屑沉积物的分析表明，1883年8月26~27日火山爆发期间，由于海啸作用造成火山碎屑流穿过40km长的巽他海峡[46]。早期的研究表明，对南极Siple Dome A和南极点冰芯而言，Krakatoa火山事件的信号非常弱[24, 47]；然而Krakatoa火山信号在NEEM2009S1冰芯和南极WDC06A冰芯可以清晰的反应[16]。Okataina(Tarawera)(38°07′S，176°30′E) 火山是新西兰历史上规模最大、破坏性最强的火山，该火山事件(1886年)从玄武岩脊状裂缝爆发，沿一条4km长的裂缝发生，产生了0.7km3高铝玄武岩岩浆，其喷发速率1.8×1018kg/s[48]。根据Carey和Sparks等[49]计算结果，其喷发的高度估计在28~34km之间。因此，这次火山爆发的信号代表了一次全球性事件。
危地马拉Santa Maria火山事件(14.8°N，91.6°W) 爆发于1902年10月，持续了18~20 h。产生的火山柱进入平流层约28km[50]。因此，Santa Maria火山气溶胶也可能在全球范围内传输。1963年3月Agung(8°20′S，115°31′E) 向平流层注入了大量的二氧化硫约11×106~12×106吨的硫酸气溶胶[51]。此次火山是自1883年Krakatoa火山事件发生以来较大的火山之一，NEEM2009S1冰芯记录其SO42-的通量为15.1kg/km2 ·a，但值得注意的是：基于本研究NEEM2009S1冰芯SO42-记录结果，由于20世纪人类活动排放的硫酸盐污染物也迅速增加，因此，人类排放的SO42-可能对该次火山事件存在影响。此次火山导致了平流层光学深度的增加和热带对流层的冷却，间接导致火山爆发后北半球平均温度下降了0.37℃[52]。
由于这些火山事件主要分布在东亚、热带菲律宾群岛和太平洋地区(图 7)。除了冰岛火山，这些火山主要沿著名的环球火山带“火环”分布，NEEM冰芯主要记录了大部分太平洋和东亚菲律宾岛屿火山事件。因此，这些地区的火山气溶胶较容易通过经向大气环流输送到格陵兰冰盖。NEEM2009S1和NEEM2011S1这两支冰芯所总共记录到32次火山事件，这些火山事件与全球火山计划(GVP)提供的数据(http://www.volcano.si.edu/index.cfm)具有很好的一致性(图 7)。由于格陵兰冰盖相对大陆距离较近，且北半球火山分布较多，以及陆海大气环流传输容易。因此，相比南极冰芯，格陵兰冰芯记录了更多的火山事件。同时，对于热带(包括南半球强火山事件)地区而言，分布在环球火山带“火环”东亚和阿拉斯加地区的火山排放的气溶胶也较容易传输至格陵兰地区，其在格陵兰冰芯中火山信号也强于南极冰芯记录结果。
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图 7 1700~1969年全球火山空间分布图(VEI ≥4)(来自NASA2004[53]) Fig. 7 Global spatial distribution of large volcanic eruptions(VEI ≥4)from 1700 to 1970, cited from NASA2004[53] |
本研究基于在格陵兰西北部钻取的一支90m浅冰芯(命名为NEEM2009S1)，对该冰芯离子和氢氧同位素等指标进行了测试。根据关键的强火山事件(Laki(1783年)、Tambora(1815年)、Santa Maria(1902年)、Katmai(1912年)和Agung(1963年))和δ18O年际变化特征，对该冰芯定年为1711~1969年。基于nssSO42-年变化特征，重建了格陵兰NEEM2009S1冰芯过去259年火山事件。重建结果表明：除了个别火山事件，由于火山爆发的规模较小，冰芯钻取过程中可能存在信号丢失等原因。因此，在冰芯记录中信号较弱或未能检测。但是该冰芯重建的火山事件，与全球火山计划列出的已知火山事件具有较好的一致性，表明冰芯是良好的古火山记录介质。为了对强火山事件产生的气候效应进行评估，选取的10次强火山事件(VEI ≥ 5)分析表明：由于这些强火山事件排放了大量硫酸盐气溶胶，在北半球存在显著的制冷效应，制冷时间相比火山爆发时间延后1~3年。特别地，由于NEEM2009S1冰芯位置距离冰岛较近，较好的反应了1711~1969年冰岛地区的火山历史，为研究冰岛火山提供了历史证据。NEEM2009S1冰芯重建的火山事件结果证实了相比热带(包括南半球强火山事件)地区，分布在环球火山带“火环”东亚和阿拉斯加地区的火山排放的气溶胶更容易传输至格陵兰地区，其火山信号也强于南极冰芯记录结果。
致谢: 感谢审稿专家和编辑部杨美芳老师建设性的修改意见。本研究所用到的冰芯样品是NEEM深冰芯计划的一部分，该冰芯计划得到了比利时、加拿大、中国、丹麦、法国、德国、冰岛、日本、韩国、荷兰、瑞典、瑞士、英国和美国等科研机构和大学的联合资助，在此一并感谢。
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Soon Do HUR2,
XIAO Cunde3,1,
YANG Jiao1,
LIN Jiamei4,
Yeongcheol HAN2,
ZHANG Tong3,
LI Chuanjin1,
REN Jiawen1,
WANG Shimeng1,
Seong Joon JUN2,
Sang Bum HONG2,
Khanghyun LEE2
2 Korea Polar Research Institute, Incheon 21990, Korea;
3 State Key Laboratory of Earth Surface Processes and Resource Ecology, Beijing Normal University, Beijing 100875;
4 Physics of Ice, Climate and Earth, Niels Bohr Institute, Univerisity of Copenhagen, Copenhagen N 2200, Denmark)
Abstract
In this study, as part of the NEEM deep ice core, a 90 m shallow ice core(North Eemian(NEEM) 2009S1:77.45°N, 51.06°W; 2450 m a.s.l.) was drilled from northwest Greenland. Ice core samples from this core were melted using continuous flow analysis. The chemical compositions(with resolutions of 2.5 cm and 5 cm) and ratios of δ18O and δD(with resolutions of 10~12 cm) were analysed using the ion chromatography and Picarro wavelength-scanned cavity ring-down spectrometers, respectively. The results indicate that the ages in the ice core range from 1711 to 1969 (19 m to 90 m) using δ18O annual layer information and volcanic markers(i.e., non-sea salt(nss) sulfate). The estimated dating uncertainty is about ±1 a at the bottom of the core. A detailed history of volcanism covering the last 259 a was reconstructed. The measured non-sea salt sulfate concentrations agree well with documented volcanic events, which indicates that the history of volcanic eruptions in Iceland is clearly preserved in this shallow core. The eruption data recorded in the NEEM2009S1 core demonstrate that the larger volcanic events have a significant cooling effect, and volcanic aerosols from East Asia are easily transported to the Greenland ice sheet, which will contribute to a better understanding of the processes controlling the climate and environment of Greenland.